JPH04109687A

JPH04109687A - 半導体レーザ制御装置

Info

Publication number: JPH04109687A
Application number: JP22900490A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Ishida; 雅章石田; Hidetoshi Ema; 秀利江間
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1992-04-10
Anticipated expiration: 2014-12-27
Also published as: JP2994442B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】皮帆比！本発明は、半導体レーザ制御装置に関し、より詳細には
、レーザプリンタ、光デイスク装置、デジタル複写機、
光通信装置等における光源として用いられる半導体レー
ザの光出力を制御する半導体レーザ制御装置に関する。

更薇抜帆半導体レーザは極めて小型であって、かつ駆動電流によ
り高速に直接変調を行なうことができるので、近年、光
デイスク装置、レーザプリンタ等の光源として広く使用
されている。

しかし、半導体レーザの駆動電流と光出力との関係は温
度により著しく変化するので半導体レーザの光強度を所
望の値に設定しようとする場合に問題となる。この問題
を解決して半導体レーザの利点を活かすために、従来さ
まざまなＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃ
ｏｎｔｒｏｌ）回路が提案されている。

このＡＰＣ回路は大きく次の３つの方式に分類できる。

■半導体レーザの光出力を受光素子によりモニターし、
この受光素子に発生する受光電流（半導体レーザの光出
力に比例する）に比例する信号と。

発光レベル指令信号とが等しくなるように、常時半導体
レーザの順方向電流を制御する光・電気負帰還ループに
より半導体レーザの光出力を所望の値に制御する方式。

■パワー設定期間には半導体レーザの光出力を受光素子
によりモニターしてこの受光素子に発生する受光電流（
半導体レーザの光出力に比例する）に比例する信号と１
発光レベル指令信号とが等しくなるように半導体レーザ
の順方向電流を制御し、パワー設定期間外にはパワー設
定期間で設定した半導体レーザの順方向電流の値を保持
することによって半導体レーザの光出力を所望の値に制
御するとともに、パワー設定期間外にはパワー設定期間
で設定した半導体レーザの順方向電流を情報に基づいて
変調することにより半導体レーザの光出力に情報を載せ
る方式。

■半導体レーザ温度を測定し、その測定した温度信号に
よって半導体レーザの順方向電流を制御したり、または
半導体レーザの温度を一定とするように制御をしたりし
て半導体レーザの光出力を所望の値に制御する方式。

上記分類の中で、■の方式は、半導体レーザの光出力が
所望の値となるように常時制御をしているので望ましい
方式であるが、発光レベル指令信号と半導体レーザの光
出力の関係を設定する際、その設定値により、光・電気
負帰還ループにおける開ループの交叉周波数が変動して
光・電気負帰還ループの制御速度が不安定になる欠点が
ある。

目　　　　　的本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、上記
欠点を改善し、高速、高精度、高分解能でかつ安定な半
導体レーザ制御装置を提供することを目的としてなされ
たものである。

構　　　成本発明は、上記目的を達成するために、半導体レーザ制
御装置において、（１）被駆動半導体レーザの光出力を
受光部により検知し、該受光部から得られる受光信号電
流に比例した電流と発光レベル指令信号電流とを等しく
するように制御をする半導体レーザ制御装置において、
電界効果トランジスタのドレインをバイポーラトランジ
スタのベースに入力し、該バイポーラトランジスタのコ
レクタを前記半導体レーザのカソードに入力し。

前記バイポーラトランジスタのエミッタをコンデンサを
介して前記電界効果トランジスタのゲートに接続するこ
とにより構成される電流増幅部と、前記受光部からの受
光信号電流を可変抵抗器を用いて基準電圧と帰還のため
の電流入力点とに分流し、前記基準電圧と前記電流入力
点とが同電位となるような制御信号を該電流入力点に印
加する制御回路とから成ること、更には、（２）前記（
１）において、前記基準電圧と前記電流入力点における
電圧とを同電位とする制御を該電流入力点に対して行な
う第１の制御回路と同一の特性を持つ第２の制御回路に
より前記基準電圧を構成したこと、更には、（３）前記
（２）において、前記第１の制御回路と前記第２の制御
回路の構成を同一の特性をもつバイポーラトランジスタ
または電界効果トランジスタで構成し、それぞれ同一の
バイアス電流を流すことを特徴としたものである。以下
、本発明の実施例に基づいて説明する。

第１図は１本発明の半導体レーザ制御装置の一実施例を
説明するための回路図で、図中、１はバイアス電圧源、
２は差動増幅器、３，６は電流源、４．１０はバイポー
ラトランジスタ、５，１１゜１４は抵抗、７は電界効果
トランジスタ、８はコンデンサ、９は半導体レーザ、１
２は受光素子、１３は可変抵抗、１５は基準電圧、１６
は定電圧ダイオード、Ｖｃは直流電源である。上記回路
要素をもつ第１図において発光レベル指令信号電流Ｉ０
をバイポーラトランジスタ４のエミッタに入力する。バ
イポーラトランジスタ４のコレクタは電界効果トランジ
スタ７のゲートと接続し、更に電界効果トランジスタ７
のドレインはバイポーラトランジスタ１ｏのベースに、
バイポーラトランジスタ１０のエミッタは定電圧ダイオ
ード１６に、該定電圧ダイオード１６のアノードをコン
デンサ８を介して電界効果トランジスタ７のゲートに各
々接続することにより、電界効果トランジスタ７とバイ
ポーラトランジスタ１０とからなる電流増幅部における
負帰還ループを構成する。

そして、バイポーラトランジスタ１０のコレクタの負荷
として被駆動の半導体レーザ９を接続する。発光レベル
指令電流工。を印加すると、これを増幅して負荷の半導
体レーザ９に順方向の電流が流れて該半導体レーザ９は
発光する。この光出力は受光素子１２により検知し、該
受光素子１２には半導体レーザ９の光出力に比例した受
光信号電流ｉが流れる。この受光信号電流ｉは可変抵抗
１３および抵抗１４に分流する。可変抵抗１３に分流し
た電流はバイポーラトランジスタ４のエミッタに入力し
、抵抗１４に分流した電流は基準電圧１５に向けて流れ
る。この場合、可変抵抗１３の抵抗値を変化させること
により、バイポーラトランジスタ４のエミッタに入力す
る受光信号電流ｉの分流電流の大きさを調整することが
でき、このようにして光・電気負帰還ループが構成され
る。

上記の構成において１発光レベル指令信号電流Ｉｏが与
えられたとき、半導体レーザ９の出力が所望の値Ｐ、を
出力するように可変抵抗１３を調整し可変抵抗１３にお
ける電流の減衰係数Ｋを所定値にすると、自動的に光・
電気負帰還ループの交叉周波数ｆ０とすることができる
。以下にこれを証明する。

この実施例において、系の開ループゲインＡはＡ＝Ｇ・
η・αＳ−Ｋ　　　　　　　　（１）と表わすことがで
きる。

但し、Ｇ：電流増幅部（バイポーラトランジスタ１０と
電界効果トランジスタ７で構成）のゲイン η：半導体レーザの微分量子効率 α：受光素子と半導体レーザとの結合係数Ｓ：受光素子の受光放射感度。

Ｋ：可変抵抗における電流の減衰係数。

（１）式をみると、系の開ループゲインＡは、半導体レ
ーザ９の微分量子効率や受光素子１２と半導体レーザ９
との結合係数、受光素子１２の受光放射感度などのバラ
ツキの影響を受けることが分る。

また、この回路の電流増幅部の利得Ｇは、近似的にＧ＝　１７ｊωＣＲ（２）であられせる。ここでＣＲは電流増幅部の特性によって
決まる定数、ω（＝２πｆ、ｆ：周波数）は角速度であ
る。

また、受光信号電流１は、半導体レーザ９の光出力Ｐ。

と受光素子１２と半導体レーザ９との結合係数α、受光
素子１２の受光放射感度Ｓを用いて１＝Ｐｏ・　αＳ　　　　　　　　　　　　　　　（３
）であられされる。

また、発光レベル指令信号電流工。はＩ０＝に−１（４）であるからまた、半導体レーザ９の光出力Ｐ、はＰ、＝　１．／　ｋ　ａ　Ｓ　　、　　　　　　　　　
（５）また、光・電気負帰還ループの交叉周波数ｆ。

はＡ＝１となる周波数であるから（１）、（２）よりｆ、＝η・αＳ　−ｋ／２πＣＲ（６）となる。

上記（５）、（６）式から明らかなように受光素子１２
と半導体レーザ９の結合係数αや受光素子１２の受光放
射感度Ｓが変化しても、所定の発光レベル指令電流工。

に対して所望の光出力Ｐ、が得られるように可変抵抗１
３の減衰係数ｋを調整するとにα５＝ｃｏｎｓｔ　　　　　　　　　（７）となるの
で（５）式より自動的に交叉周波数ｆ０を所望の値に設
定できることが明らかとなる。

また、この構成では、不必要なバイアス電流を流すこと
なく受光信号電流ｉは可変抵抗１３と抵抗１４の抵抗比
で分流される。

つまり、可変抵抗１３の抵抗値をＲｖ、抵抗１４の抵抗
値をＲとすると、電流の減衰係数にはに＝Ｒ／　（Ｒ＋
Ｒｖ）　　　　　　　　　（８）であられされる。

さらに、この構成では、発光レベル指令信号工。と負帰
還をかける受光信号電流ｉの一部の加算点がバイポーラ
トランジスタ４のエミッタであるが、電流がエミッタに
流入するとエミッタ電位は変動する１本発明ではこの変
動を取り除くためエミッタ電位が基準電圧１５と同電位
になるように制御をかける。すなわち、バイアス電圧源
１を基準電圧１５と同電圧としてバイポーラトランジス
タ４のエミッタとともに差動増幅器２に入力し、その出
力をバイポーラトランジスタ４のベースに入力すること
により負帰還ループを構成する。

次に、該負帰還ループの動作を説明する。バイポーラト
ランジスタ４のエミッタ電位が仮りに低下したとする。

この場合、エミッタ電位とバイアス電圧源１の電位（基
準電圧１５の電位）の差が差動増幅器２で増幅され、バ
イポーラトランジスタ４のベース電位を高くしようとす
る。するとバイポーラトランジスタ４のベース・エミッ
タ間電位が大きくなり、バイポーラトランジスタ４は電
流を多く流そうとする。すると抵抗５に電流が多く流れ
てエミッタ電位を上げる。このようにしてエミッタ電位
が安定化すると不要なバイアス電流が流れることなく受
光信号電流ｉは可変抵抗１３と抵抗１４の抵抗比で分流
される。つまり電流の減衰係数には（８）式であられさ
れ、精度良く分流されるので、より高精度な光・電気負
帰還ループが構成される。

また、この構成ではバイアス電圧源１と基準電圧１５を
与えたが、これはプラス電源のみで回路を駆動するため
で、マイナス電源も利用できるならばバイアス電圧源１
と基準電圧１５をそれぞれアースとして、抵抗５をアー
スにではなくマイナス電源につなげる構成も考えられ、
この構成でも本発明の効果が得られることは明らかであ
る。

ここで、抵抗５を電流源としても本発明の効果が得られ
ることは明らかである。

また、この構成では、発光レベル指令信号電流１、をバ
イポーラトランジスタ４のエミッタに入力したが、電流
源３の電流を発光レベル指令信号工。で制御しても本発
明の効果が得られることは明らかである。

さらに、この構成では、インピーダンス変換の手段とし
てバイポーラトランジスタ４を用いたが、この部分に電
界効果トランジスタを用いても、複数個のトランジスタ
で構成した回路を用いても本発明の効果が得られること
は明らかである。

以上述べたように本発明によれば、簡便に半導体レーザ
の光出力を所望の値に設定すると自動的に系の交叉周波
数が一定となるように設定でき。

かつ高精度で高速・高分解能な半導体レーザ制御装置を
実現できる。

第２図は、本発明の半導体レーザ制御装置の他の実施例
を説明するための回路図で、図中、第１図と同じ作用を
もつ回路要素には同一の符号を付しである。１８，１９
．２０は電界効果トランジスタ、２１は定電圧ダイオー
ド、２２は電流増幅器である。

ここで、電流増幅器２２は、第１図の電流増幅部と同一
の回路（電流源６．電界効果トランジスタ７、コンデン
サ８．バイポーラトランジスタ１０、定電圧ダイオード
１６．抵抗１１で構成）を簡略化して表したものであり
、動作も同一であるとする。

第２図では、基本動作は第１図と同様であるので、ここ
では省略する。第２図が第１図と異なる点は、バイポー
ラトランジスタ４を電界効果トランジスタ２０とし、ま
た定電圧ダイオード２１のアノードを発光レベル指令信
号電流Ｉ０と可変抵抗１３で減衰させた受光信号電流ｉ
の電流加算点としている。また、電界効果トランジスタ
１８と電界効果トランジスタ１９はそれぞれ同一の特性
を持つ素子で構成し、電界効果トランジスタ１８のドレ
インをカレントミラー回路１７に、ゲートをバイアス電
圧源１に、ソースをアースに接続し、電界効果トランジ
スタ１９のドレインをカレントミラー回路１７に、ゲー
トを定電圧ダイオード２１のアノードに、ソースをアー
スに接続し、電界効果トランジスタ２０のゲートを電界
効果トランジスタ１９のドレインに接続することにより
制御回路を構成している。この制御回路の動作を簡単に
説明する。仮りに定電圧ダイオード２１のアノード電位
が低下したとすると、電界効果トランジスタ１９のドレ
イン電流が減少し、このため電界効果トランジスタ２０
のゲート電位が上がり、電界効果トランジスタ２０のゲ
ート・ソース間電圧が大きくなり電流を多く流そうとす
る。このため、定電圧ダイオード２１のアノード電位は
バイアス電圧源１の電圧（つまり基準電圧１５の電圧）
に等しくなるように高速に制御がかけられる。

ここで、電界効果トランジスタ１８，１９゜２ｏを用い
ているのは、可変抵抗で減衰させた受光信号電流が小さ
い場合、これらのトランジスタのゲート漏れ電流（バイ
ポーラトランジスタではベース電流）の影響を受けるこ
とがあるが、電界効果トランジスタのゲート漏れ電流は
一般に数十ナノアンペア程度であるので、バイポーラト
ランジスタより影響を受けにくい事を考慮してのことで
ある。従って、この部分の構成は、可変抵抗で減衰させ
た受光信号電流が比較的大きい場合はバイポーラトラン
ジスタを用いた構成でも良く、またその電流が小さい場
合でもインピーダンス変換をしている電界効果トランジ
スタ２０の構成をダーリントン接続やエミッタフォロワ
（ソースフォロワ）などの構成にしても本発明の効果が
得られることは明らかである。

第３図は、本発明の更に他の実施例を説明するための回
路図で、図中、第１図、第２図と同じ作用をもつ回路要
素には同一の符号を付しである。

２３は電流源、２４，２８．２９は電界効果トランジス
タ、２５は定電圧ダイオード、２６は抵抗、２７はカレ
ントミラー回路、３０はバイアス電圧源である。

この第３図では、基準電圧をさきに述べた制御回路と同
一の特性を持つ回路で構成している。すなわち電流源３
と電流源２３、電界効果トランジスタ２０と電界効果ト
ランジスタ２４、定電圧ダイオード２１と定電圧ダイオ
ード２５、抵抗５と抵抗２６、電界効果トランジスタ１
８．１９と電界効果トランジスタ２８，２９．バイアス
電圧源１とバイアス電圧源３０がそれぞれ同一の特性を
持つ素子で構成し、カレントミラー回路１７とカレント
ミラー回路２７は同一の特性を持っているとする。

このような回路構成にした場合は、定電圧ダイオード２
１のアノード電位を固定電位である基準電圧と同一電圧
になるように制御をかけるのではなく、定電圧ダイオー
ド２１のアノード電位と定電圧ダイオード２５のアノー
ド電位が変動しても相対的に同電位となるように制御を
かける。そうすると、各々の制御系がが同一の特性を持
っているので、先の相対電位はＯとなり、受光信号電流
ｉは可変抵抗１３と抵抗１４の抵抗比で正確に分流され
る系が構成できる。

以上述べたように本発明によれば、簡便に半導体レーザ
の光出力を所望の値に設定すると自動的に系の交叉周波
数が一定となるように設定でき、かつ高精度で高速・高
分解能な半導体レーザ制御装置を実現できる。

第４図は、本発明の更に他の実施例を説明するための回
路図で、図中、第１図、第２図と同じ作用をもつ回路要
素には同一の符号を付しである。

３１．３４はバイポーラトランジスタ、３２゜３５は抵
抗、３３はカレントミラー回路である。

第４図では、発光レベル指令信号電流工。と可変抵抗１
３で減衰させた受光信号電流ｉの電流加算点をバイポー
ラトランジスタ４のエミッタとしている。この第４図で
第３図と異なる点は電位制御部の構成である。この構成
では、パイポーラトランジスタ４，３１，３４、抵抗５
，３２．３５はそれぞれ同一の特性を持った素子とし、
カレントミラー回路３３を用いてバイポーラトランジス
タ４とバイポーラトランジスタ３４にバイアス電流を流
している。この場合、バイポーラトランジスタ４とバイ
ポーラトランジスタ３１のベース電位は共通であるので
同じバイアス電流が流れ、各々のエミッタ電位は同電位
となる。先の受光信号電流ｉを可変抵抗１３を介してバ
イポーラトランジスタ４のエミッタに入力する電流と、
バイポーラトランジスタ３１のエミッタに入力する電流
とに分流すると、請求項２と同様の効果をより簡単な回
路構成で得ることができる。

また、この回路構成において、バイポーラトランジスタ
４，３１．３４を用いているが、電界効果トランジスタ
を用いて構成しても同様の効果が得られることは明らか
である。

かつ簡単な回路構成で高精度・高速・高分解能な半導体
レーザ制御装置を実現できる。

なお５第４図の基本動作は、第３図で述べた動作と同様
である。

効　　　果以上の説明から明らかなように、本発明によると、以下
のような効果がある。

（１）請求項１に対応する効果：被駆動半導体レーザの
出力光と該出力光を電気変換し増幅する光・電気負帰還
ループにおいて、ゲイン変換器のゲインを調整すること
により、半導体レーザの光出力を所望の値に設定するだ
けで自動的に前記光・電気負帰還ループの開ループでの
交叉周波数が所望の値に設定されるので、簡単な調整で
動作が安定となり、前記基準電圧と前記電流入力点が同
電位となるように電流入力点に制御をかける制御回路を
構成したことにより、高精度である高速・高分解能な半
導体レーザ制御装置が実現できる。

（２）請求項２に対応する効果：前記基準電圧と前記電
流入力点が同電位となるように電流入力点に制御をかけ
る第１の制御回路と同一の特性を持つ第２の制御回路で
前記基準電圧を構成したことにより高精度な半導体レー
ザ制御装置が実現できる。

（３）請求項３に対応する効果：前記第１の制御回路と
前記第２の制御回路の構成を同一の特性を持つバイポー
ラトランジスタまたは電界効果トランジスタで構成しそ
れぞれ同一のバイアス電流を流すことにより、簡単な回
路構成で高精度な半導体レーザ制御装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の半導体レーザ制御装置の一実施例を
説明するための回路図、第２＠は１本発明の他の実施例
を説明するための回路図、第３図及び第４図は、本発明
の更に他の実施例を説明するための回路図である。１．３０・・・バイアス電圧源、２・・・差動増幅器、
３゜６．２３・・・電流源、４，１０，３１，３４・・
・バイポーラトランジスタ、７，１８，１９，２０゜２
４．２８．２９・・・電界効果トランジスタ、５゜１．
１，１４，３２，３５・・・抵抗、８・・・コンデンサ
、１６．２１，２５・・・定電圧ダイオード、９・・・
半導体レーザダイオード、１２・・・受光素子、１３・
・可変抵抗、１５・・・基準電圧、２２・・・電流増幅
器、１７．２７．３３・・・カレントミラー回路。第図ｃｃ第図ｃｃ第図第図ｃｃ

Claims

【特許請求の範囲】１、被駆動半導体レーザの光出力を受光部により検知し
、該受光部から得られる受光信号電流に比例した電流と
発光レベル指令信号電流とを等しくするように制御をす
る半導体レーザ制御装置において、電界効果トランジス
タのドレインをバイポーラトランジスタのベースに入力
し、該バイポーラトランジスタのコレクタを前記半導体
レーザのカソードに入力し、前記バイポーラトランジス
タのエミッタをコンデンサを介して前記電界効果トラン
ジスタのゲートに接続することにより構成される電流増
幅部と、前記受光部からの受光信号電流を可変抵抗器を
用いて基準電圧と帰還のための電流入力点とに分流し、
前記基準電圧と前記電流入力点とが同電位となるような
制御信号を該電流入力点に印加する制御回路とから成る
ことを特徴とする半導体レーザ制御装置。２、前記基準電圧と前記電流入力点における電圧とを同
電位とする制御を該電流入力点に対して行なう第１の制
御回路と同一の特性を持つ第２の制御回路により前記基
準電圧を構成したことを特徴とする請求項１記載の半導
体レーザ制御装置。３、前記第１の制御回路と前記第２の制御回路の構成を
同一の特性を持つバイポーラトランジスタまたは電界効
果トランジスタで構成し、それぞれ同一のバイアス電流
を流すことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ制
御装置。